La realizzazione del potenziale delle auto a guida autonoma dipende dalla tecnologia in grado di rilevare e reagire rapidamente agli ostacoli e ad altri veicoli in tempo reale. Gli ingegneri dell'Università del Texas ad Austin e dell'Università della Virginia hanno creato un nuovo dispositivo di rilevamento della luce unico nel suo genere in grado di amplificare con maggiore precisione i segnali deboli che rimbalzano su oggetti lontani rispetto a quanto consentito dalla tecnologia attuale, fornendo ai veicoli autonomi un quadro più completo di ciò che accade sulla strada.

Il nuovo dispositivo è più sensibile di altri rilevatori di luce in quanto elimina anche le incongruenze, o rumore, associati al processo di rilevamento. Tale rumore può far perdere i segnali ai sistemi e mettere a rischio i passeggeri dei veicoli autonomi.

"I veicoli autonomi inviano segnali laser che rimbalzano sugli oggetti per dirti quanto sei lontano. Non torna molta luce, quindi se il tuo rilevatore emette più rumore del segnale in arrivo, non ottieni nulla, " ha detto Joe Campbell, professore di ingegneria elettrica e informatica presso la University of Virginia School of Engineering.

I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando su dispositivi, noti come fotodiodi da valanga, per soddisfare queste esigenze. Ma ciò che distingue questo nuovo dispositivo è il suo allineamento simile a una scala. Include passaggi fisici nell'energia che gli elettroni rotolano verso il basso, moltiplicandosi lungo il percorso e creando una corrente elettrica più forte per il rilevamento della luce mentre procedono.

Nel 2015, i ricercatori hanno creato un dispositivo per scale a un gradino. In questa nuova scoperta, dettagliato in Fotonica della natura , hanno mostrato, per la prima volta, un fotodiodo da valanga a scala con più gradini.

"L'elettrone è come una biglia che rotola giù da una rampa di scale, " ha detto Seth Bank, professore nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Cockrell School che ha guidato la ricerca con Campbell, un ex professore alla Cockrell School dal 1989 al 2006 e alumnus UT Austin (BS, Fisica, 1969). "Ogni volta che la biglia rotola da un gradino, cade e si schianta su quello successivo. Nel nostro caso, l'elettrone fa la stessa cosa, ma ogni collisione rilascia energia sufficiente per liberare effettivamente un altro elettrone. Possiamo iniziare con un elettrone, ma cadendo ad ogni gradino raddoppia il numero di elettroni:1, 2, 4, 8, e così via."

Il nuovo dispositivo di dimensioni pixel è ideale per i ricevitori Light Detection and Ranging (lidar), che richiedono sensori ad alta risoluzione che rilevano segnali ottici riflessi da oggetti distanti. Lidar è una parte importante della tecnologia delle auto a guida autonoma, e ha anche applicazioni in robotica, sorveglianza e mappatura del terreno.

L'aggiunta di passaggi aumenta la sensibilità e la coerenza del dispositivo. E la costante moltiplicazione degli elettroni ad ogni passaggio rende i segnali elettrici dal rivelatore più affidabili, anche in condizioni di scarsa illuminazione.

"Meno casuale è la moltiplicazione, più deboli sono i segnali che puoi cogliere dallo sfondo, " ha detto Bank. "Per esempio, che potrebbe consentire di guardare a distanze maggiori con un sistema radar laser per veicoli autonomi."

Questo tipo di capacità di rilevamento esiste da decenni, ma le barriere tecnologiche ne frenarono il progresso. I tubi fotomoltiplicatori hanno rappresentato a lungo il "Santo Graal" di questa forma di rilevamento, Banca ha detto, ma quella tecnologia esiste da più di 50 anni e utilizza componenti di illuminazione e tubi a vuoto obsoleti. Negli anni '80, l'inventore Federico Capasso concepì per primo la tecnologia del fotodiodo da valanga che i ricercatori stavano studiando. Ma gli strumenti e le tecniche per renderlo una realtà non erano abbastanza lontani.

La scienza alla base di questa svolta arriva in un nuovo modo di coltivare materiali, Banca ha detto. Invece di materiali in crescita con atomi distribuiti casualmente, hanno creato leghe stratificate composte da composti binari, quelli costituiti da due elementi, impilati uno sopra l'altro.

"Ciò che consente è di cambiare il panorama energetico dell'elettrone in un modo molto semplice per creare la struttura che Capasso aveva immaginato nei primi anni '80, ma sfortunatamente non c'era la capacità di sintetizzare cristalli che avessero tutte le proprietà richieste, " ha detto la banca.

Un altro pezzo importante di questo dispositivo è che può funzionare a temperatura ambiente. Oggi, i rivelatori di luce più sensibili devono essere mantenuti a temperature di centinaia di gradi sotto lo zero, rendendoli troppo costosi e poco pratici per applicazioni come il lidar.

La ricerca è stata finanziata dall'U.S. Army Research Office (ARO) e dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). I ricercatori hanno finanziamenti tramite ARO e DARPA per continuare a perfezionare il loro processo per aggiungere ancora più passaggi ai dispositivi. E stanno lavorando con un'azienda di semiconduttori per commercializzare la tecnologia.

Gli ingegneri hanno anche in programma di sposare il loro dispositivo per scale a più gradini con un fotodiodo da valanga che hanno costruito l'anno scorso e che è sensibile alla luce del vicino infrarosso, che apre nuove applicazioni come le comunicazioni in fibra ottica e l'imaging termico.

"Questo dovrebbe darci il meglio di entrambi i mondi:risposta a una gamma più ampia di colori e maggiore sensibilità ai segnali deboli a causa della minore amplificazione del rumore che deriva naturalmente dall'architettura delle scale, " ha detto la banca.